电力拖动自动控制系统课件三二

第8章同步电动机变压变频调速系统

电力拖动自动控制系统内容提要

同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型他控变频同步电动机调速系统自控变频同步电动机调速系统8.1同步电动机变压变频调速的特点

及其基本类型

本节提要概述同步调速系统的类型同步调速系统的特点1.概述同步电动机历来是以转速与电源频率保持严格同步著称的。只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。

采用电力电子装置实现电压-频率协调控制，改变了同步电动机历来只能恒速运行不能调速的面貌。起动费事、重载时振荡或失步等问题也已不再是同步电动机广泛应用的障碍。同步电机的特点与问题优点：（1）转速与电压频率严格同步；（2）功率因数高到1.0，甚至超前；存在的问题：（1）起动困难；（2）重载时有振荡，甚至存在失步危险；

解决思路问题的根源：供电电源频率固定不变。解决办法：采用电压-频率协调控制，可解决由固定频率电源供电而产生的问题。例如对于起动问题：通过变频电源频率的平滑调节，使电机转速逐渐上升，实现软起动。对于振荡和失步问题：由于采用频率闭环控制，同步转速可以跟着频率改变，于是就不会振荡和失步了。2.同步调速系统的类型（1）他控变频调速系统用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统。（2）自控变频调速系统

用电动机本身轴上所带转子位置检测器或电动机反电动势波形提供的转子位置信号来控制变压变频装置换相时刻的系统。

3.同步调速系统的特点（1）交流电机旋转磁场的同步转速1与定子电源频率f1有确定的关系异步电动机的稳态转速总是低于同步转速的，二者之差叫做转差s

；同步电动机的稳态转速等于同步转速，转差s=0。

（8-1）

同步调速系统的特点（续）（2）异步电动机的磁场仅靠定子供电产生，而同步电动机除定子磁动势外，转子侧还有独立的直流励磁，或者用永久磁钢励磁。（3）同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。（4）异步电动动机的气隙隙是均匀的的，而同步步电动机则则有隐极与与凸极之分分，隐极式式电机气隙隙均匀，凸凸极式则不不均匀，两两轴的电感感系数不等等，造成数数学模型上上的复杂性性。但凸极极效应能产产生平均转转矩，单靠靠凸极效应应运行的同同步电动机机称作磁阻阻式同步电电动机。同步调速系系统的特点点（续）（5）异步电动动机由于励励磁的需要要，必须从从电源吸取取滞后的无无功电流，，空载时功功率因数很很低。同步步电动机则则可通过调调节转子的的直流励磁磁电流，改改变输入功功率因数，，可以滞后后，也可以以超前。当当cos=1.0时，电枢铜铜损最小，，还可以节节约变压变变频装置的的容量。同步调速系系统的特点点（续）（6）由于同步步电动机转转子有独立立励磁，在在极低的电电源频率下下也能运行行，因此，，在同样条条件下，同同步电动机机的调速范范围比异步步电动机更更宽。（7）异步电动动机要靠加加大转差才才能提高转转矩，而同同步电机只只须加大功功角就能增增大转矩，，同步电动动机比异步步电动机对对转矩扰动动具有更强强的承受能能力，能作作出更快的的动态响应应。同步调速系系统的特点点（续）返回目录*8.2他控变频同同步电动机机调速系统统与异步电动动机变压变变频调速一一样，用独独立的变压压变频装置置给同步电电动机供电电的系统称称作他控变频调调速系统。本节提要转速开环恒恒压频比控控制的同步步电动机群群调速系统统由交-直-交电流型负负载换流变变压变频器器供电的同同步电动机机调速系统统由交-交变压变频频器供电的的大型低速速同步电动动机调速系系统按气隙磁场场定向的同同步电动机机矢量控制制系统同步电动机机的多变量量动态数学学模型*8.2.1转速开环恒恒压频比控控制的同步步电动机群群调速速系统转速开环恒恒压频比控控制的同步步电动机群群调速系统统，是一种种最简单的的他控变频频调速系统统，多用于于化纺工业业小容量多多电动机拖拖动系统中中。这种系统采采用多台永永磁或磁阻阻同步电动动机并联接接在公共的的变频器上上，由统一一的频率给给定信号同同时调节各各台电动机机的转速。。系统组成图8-1多台同步电电动机的恒恒压频比控控制调速系系统多台永永磁或或磁阻阻同步步电动动机并并联接接在公公共的的电压压源型型PWM变压变变频器器上，，由统统一的的频率率给定定信号号f*同时调调节各各台电电动机机的转转速。。PWM变压变变频器器中，，带定定子压压降补补偿的的恒压压频比比控制制保证证了同同步电电动机机气隙隙磁通通恒定定，缓缓慢地地调节节频率率给定定f*可以逐逐渐地地同时时改变变各台台电机机的转转速。。系统控控制系统特特点系统结结构简简单，，控制制方便便，只只需一一台变变频器器供电电，成成本低低廉。。由于采采用开开环调调速方方式，，系统统存在在一个个明显显的缺缺点，，就是是转子子振荡荡和失失步问问题并并未解解决，，因此此各台台同步步电动动机的的负载载不能能太大大。*8.2.2由交-直-交电流流型负负载换换流变变压变变频器器供电电的同同步电电动机机调速速系统统概述大型同同步电电动机机转子子上一一般都都具有有励磁磁绕组组，通通过滑滑环由由直流流励磁磁电源源供电电，或或者由由交流流励磁磁发电电机经经过随随转子子一起起旋转转的整整流器器供电电。对于经经常在在高速速运行行的机机械设设备，，定子子常用用交-直-交电流流型变变压变变频器器供电电，其其电机机侧变变换器器（即即逆变变器））比给给异步步电动动机供供电时时更简简单，，可以以省去去强迫迫换流流电路路，而而利用用同步步电动动机定定子中中的感感应电电动势势实现现换相相。这这样的的逆变变器称称作负负载换换流逆逆变器器（Load-commutatedInverter，简称称LCI）。系统组组成图8-2由交-直-交电流流型负负载换换流变变压变变频器器供电电的同同步电电动机机调速速系统统系统控控制在图8-2中，系系统控控制器器的程程序包包括转转速调调节、、转差差控制制、负负载换换流控控制和和励磁磁电流流控制制，FBS是测速速反馈馈环节节。由于变变压变变频装装置是是电流流型的的，还还单独独画出出了电电流控控制器器（包包括电电流调调节和和电源源侧变变换器器的触触发控控制））。换流问问题LCI同步调调速系系统在在起动动和低低速时时存在在换流流问题题，低速时时同步步电动动机感感应电电动势势不够够大，，不足足以保保证可可靠换换流；；当电机机静止止时，，感应应电动动势为为零，，根本本就无无法换换流。。解决方方案这时，，须采采用““直流流侧电电流断断续””的特特殊方方法，，使中中间直直流环环节电电抗器器的旁旁路晶晶闸管管导通通，让让电抗抗器放放电，，同时时切断断直流流电流流，允允许逆逆变器器换相相，换换相后后再关关断旁旁路晶晶闸管管，使使电流流恢复复正常常。用这种种换流流方式式可使使电动动机转转速升升到额额定值值的3%~5%，然后后再切切换到到负载载电动动势换换流。。8.2.3由交-交变压压变频频器供供电的的大型型低速速同步步电动动机调调速系系统概述另一类类大型型同步步电动动机变变压变变频调调速系系统用用于低低速的的电力力拖动动，例例如无无齿轮轮传动动的可可逆轧轧机、、矿井井提升升机、、水泥泥转窑窑等。。该系统统由交交-交变压压变频频器（（又称称周波波变换换器））供电电，其其输出出频率率为20~25Hz（当电网网频率率为50Hz时），，对于于一台台20极的同同步电电动机机，同同步转转速为为120~150r/min，直接用来拖拖动轧钢机机等设备是是很合适的的，可以省省去庞大的的齿轮传动动装置。系统组成图8-3由交-交变压变频频器供电的的大型低速速同步电动动机调速系系统这类调速系系统的基本本结构画在在图8-3中，可以实实现4象限运行。。控制器按需需要可以是是常规的，，也可以采采用矢量控控制，后者者在下一小小节再详细细讨论。系统控制*8.2.4按气隙磁场场定向的同同步电动机机矢量量控制系统统1.概述为了获得高高动态性能能，同步电电动机变压压变频调速速系统也可可以采用矢矢量控制，，其基本原原理和异步步电动机矢矢量控制相相似，也是是通过坐标标变换，把把同步电动动机等效成成直流电动动机，再模模仿直流电电动机的控控制方法进进行控制。。但由于同同步电动机机的转子结结构与异步步电动机不不同，其矢矢量坐标变变换也有自自己的特色色。2.系统模型假定条件（1）假设是隐隐极电机，，或者说，，忽略凸极极的磁阻变变化；（2）忽略阻尼尼绕组的效效应；（3）忽略磁化化曲线的饱饱和非线性性因素；（4）暂先忽略略定子电阻阻和漏抗的的影响。其他假设条条件和研究究异步电动动机数学模模型时相同同，见第6.6.2节。二极同步电机机物理模型图8-4二极同步电动动机的物理模模型模型描述图中，定子三三相绕组轴线线A、B、C是静止的，三三相电压uA、uB、uC和三相电流iA、iB、iC都是平衡的，，转子以同步步转速1旋转，转子上上的励磁绕组组在励磁电压压Uf供电下流过励励磁电流If。沿励磁磁极极的轴线为d轴，与d轴正交的是q轴，d-q坐标在空间也也以同步转速速1旋转，d轴与A轴之间的夹角角为变量。在同步电动机机中，除转子子直流励磁外外，定子磁动动势还产生电电枢反应，直直流励磁与电电枢反应合成成起来产生气气隙磁通，合合成磁通在定定子中感应的的电动势与外外加电压基本本平衡。同步电动机磁磁动势与磁通通的空间矢量量图示于图8-5a。同步电机的空空间矢量1图8-5同步电动机近近似的空间矢矢量图和时间间相量图a）磁动势和磁磁通的空间矢矢量图同步电机的空空间矢量（续续）同步电机的空空间矢量（续续）Ff、f—转子励磁磁动动势和磁通，，沿励磁方向为d轴；Fs—定子三相合成成磁动势；FR、R—合成的气隙磁磁动势和总磁磁通；s—Fs与FR间的夹角；f—Ff与FR间的夹角。图中：矢量变换将Fs除以相应的匝匝数即为定子子三相电流合合成空间矢量量is，可将它沿M、T轴分解为励磁磁分量ism和转矩分量ist。同样，Ff与相当的励磁磁电流矢量If也可分解成ifm和ift。矢量变换公式式由图8-5a不难得出下列列关系式（8-2）（8-3）（8-4）（8-5）（8-6）（8-7）图8-5b电压、电流和和磁链的时间间相量图定子电压方程程在图8-5b中画出了定子子一相绕组的的电压、电流流与磁链的时时间相量图。定子电压方程程（续）气隙合成磁通通R是空间矢量，，R对该相绕组的的磁链Rs则是时间相量量，Rs在绕组中感应应的电动势Es领先于Rs90°。按照假设条条件，忽略定定子电阻和漏漏抗，则Es与相电压Us近似相等，于于是（8-8）电流关系分析析在图8-5b中，is是该相电流相相量，它落后后于Us的相角就是同步电动动机的功率因因数角。根据据电机学原理理，R与Fs空间矢量的空空间角差s也就是磁链Rs与电流is在时间上的相相角差，因此此=90°s，而且ism和ist也是is相量在时间相相量图上的分分量。电流关系分析析（续）由此可知：定定子电流的励励磁分量ism可以从定子电电流is和调速系统期期望的功率因因数值求出。。最简单的情情况是希望cos=1，也就是说，，希望ism=0。这样，由期望望功率因数确确定的ism可作为矢量控制系统统的一个给定定值。定子电流方程程以A轴为参考坐标标轴，则d轴的位置角为为=1dt，可以通过电电机轴上的位位置传感器BQ测得（见图8-6）。于是，定定子电流空间间矢量与A轴的夹角便成为（8-9）定子电流方程程（续）由的幅值和相相位角可以求求出三相定子子电流（8-10）电磁转矩方程程根据机电能量量转换原理，，同步电动机机的电磁转矩矩可以表达为为（8-11）定子旋转磁动动势幅值由式（8-2）及式（8-6）可知（8-12）（8-13）将定子旋转磁动势势幅值表达式（8-12）及式（8-13）代入式（8-11），整理后得（8-14）式中3.同步电机矢量控控制系统图8-6同步电动机基于于电流模型的矢矢量控制系统位置传感器工作原理同步电动机矢量量控制系统采用用了和直流电动动机调速系统相相仿的双闭环控控制结构。转速控制：ASR的输出是转矩给给定信号Te*，按照式（8-14），Te*除以磁通模拟信信号R*即得定子电流转转矩分量的给定定信号ist*，R*是由磁通给定信信号*经磁通滞后模型型模拟其滞后效效应后得到的。。磁通和电流控制制（1）*乘以系数K即得合成励磁电电流的给定信号号iR*，另外，按功率率因数要求还可可得定子电流励励磁分量给定信信号ism*。（2）将iR*、ist*、ism*和来自位置传感感器BQ的旋转坐标相位位角一起送入矢量运运算器，按式（（8-7）以及式（8-9）、（8-10）计算出定子三三相电流的给定定信号iA*、iB*、iC*和励磁电流给定定信号if*。（3）通过ACR和AFR实行电流闭环控控制，可使实际际电流iA、iB、iC以及If跟随其给定值变变化，获得良好好的动态性能。。当负载变化时时，还能尽量保保持同步电动机机的气隙磁通、、定子电动势及及功率因数不变变。*8.2.5同步电动机的多多变量动态数学学模型假定条件：如果解除第8.2.4小节中所作的第第1、2、4三条假定，即考考虑了同步电动动机的凸极效应应、阻尼绕组和和定子电阻与漏漏抗，则同步电电动机的动态电电压方程式可写写成同步电动机的动动态电压方程式式（8-15）方程说明式中前三个方程程是定子A、B、C三相的电压方程程，第四个方程程是励磁绕组直直流电压方程，，永磁同步电动动机无此方程，，最后两个方程程是阻尼绕组的的等效电压方程程。实际阻尼绕绕组是多导条类类似笼型的绕组组，这里把它等等效成在d轴和q轴各自短路的两两个独立绕组。。所有符号的意意义及其正方向向都和分析异步步电动机时一致致。坐标变换将A-B-C坐标系变换到d-q同步旋转坐标系系，并用p表示微分算子，，则三个定子电电压方程变换成成（8-16）坐标变换（续））三个转子电压方方程不变，因为为它们已经在d-q轴上了，可以改改写成（8-17）磁链方程在两相同步旋转转（d-q）坐标系上的磁链链方程为（8-18）磁链方程（续））式中Lsd—等效两相定子绕绕组d轴自感，Lsd=Lls+Lmd；Lsq—等效两相定子绕绕组q轴自感，Lsq=Lls+Lmq；Lls—等效两两相定定子绕绕组漏漏感；；Lmd—d轴定子子与转转子绕绕组间间的互互感，，相当当于同同步电动机机原理理中的的d轴电枢枢反应应电感感；Lmq—q轴定子子与转转子绕绕组间间的互互感，，相当当于q轴电枢反反应电电感；；Lrf—励磁绕绕组自自感，，Lrf=Llf+Lmd；LrD—d轴阻尼尼绕组组自感感，LrD=LlD+Lmd；LrQ—q轴阻尼尼绕组组自感感，LrQ=LlQ+Lmq；矩阵方方程式式将式（（8-18）代入入式（（8-16）和式式（8-17），整整理后后可得得同步步电动动机的的电压压矩阵阵方程程式（8-19）转矩和和运动动方程程同步电电动机机在d-q轴上的的转矩矩和运运动方方程为为（8-20）（8-21）把式（（8-18）中的的和表表达式式代入入式（（8-20）的转转矩方方程并并整理理后得得表达式式的物物理意意义第一项项npLmdIfiq是转子子励磁磁磁动动势和和定子子电枢枢反应应磁动动势转转矩分分量相相互作作用所所产生生的转转矩，，是同同步电电动机机主要要的电电磁转转矩。。第二项项np(Lsd-Lsq)idiq是由凸凸极效效应造造成的的磁阻阻变化化在电电枢反反应磁磁动势势作用用下产产生的的转矩矩，称称作反反应转转矩或或磁阻阻转矩矩，这这是凸凸极电电机特特有的的转矩矩，在在隐极极电机机中，，Lsd=Lsq，该项项为0。表达式式的物物理意意义（（续））第三项项np(LmdiDiq–LmqiQid)是电枢枢反应应磁动动势与与阻尼尼绕组组磁动动势相相互作作用的的转矩矩，如如果没没有阻阻尼绕绕组，，或者者在稳稳态运运行时时阻尼尼绕组组中没没有感感应电电流，，该项项都是是零，，只有有在动动态中中，产产生阻阻尼电电流，，才有有阻尼尼转矩矩，帮帮助同同步电电动机机尽快快达到到新的的稳态态。返回目录8.3自控变变频同同步电电动机机调速速系统统本节摘摘要基本结结构与与原理理梯形波波永磁磁同步步电动动机（（无刷刷直流流电动动机））的自自控变变频调调速系系统正弦波波永磁磁同步步电动动机的的自控控变频频调速速系统统8.3.0基本结结构与与原理理图8-7自控变频同步电电动机调速系统统结构原理图基本结构结构特点（1）在电动机轴端端装有一台转子子位置检测器BQ（见图8-7），由它发出的的信号控制变压压变频装置的逆逆变器UI换流，从而改变变同步电动机的的供电频率，保保证转子转速与与供电频率同步步。调速时则由由外部信号或脉脉宽调制（PWM）控制UI的输入直流电压压。结构特点（续））（2）从电动机本身看看，它是一台同同步电动机，但但是如果把它和和逆变器UI、转子位置检测器器BQ合起来看，就象象是一台直流电电动机。直流电电动机电枢里面面的电流本来就就是交变的，只只是经过换向器器和电刷才在外外部电路表现为为直流，这时，，换向器相当于于机械式的逆变变器，电刷相当当于磁极位置检检测器。这里，，则采用电力电电子逆变器和转转子位置检测器器替代机械式换换向器和电刷。。自控变频同步电电动机的分类自控变频同步电电动机在其开发发与发展的过程程中，曾采用多多种名称，有的的至今仍习惯性性地使用着，它它们是：无换向器电动机机三相永磁同步电电动机（输入正正弦波电流时））无刷直流电动机机（采用方波电电流时）永磁电动机控制制系统的优点由于采用了永磁磁材料磁极，特特别是采用了稀稀土金属永磁，，因此容量相同同时电机的体积积小、重量轻；；转子没有铜损和和铁损，又没有有滑环和电刷的的摩擦损耗，运运行效率高；转动惯量小，允允许脉冲转矩大大，可获得较高高的加速度，动动态性能好；结构紧凑，运行行可靠。8.3.1梯形波永磁同步步电动机（无刷刷直流电动动机））的自控变频调调速系统1.概述无刷直流电动机机实质上是一种种特定类型的同同步电动机，调调速时只在表面面上控制了输入入电压，实际上上也自动地控制制了频率，仍属属于同步电动机机的变压变频调调速。电动势与电流波波形永磁无刷直流电电动机的转子磁磁极采用瓦形磁磁钢，经专门的的磁路设计，可可获得梯形波的的气隙磁场，定定子采用集中整整距绕组，因而而感应的电动势势也是梯形波的的。由逆变器提供与与电动势严格同同相的方波电流流，同一相（例例如A相）的电动势eA和电流波iA形图如图8-8所示。电动势与电流波波形（续）图8-8梯形波永磁同步步电动机的电动动势与电流波形形图eAiAIPEPiAeAOt由于各相电流都都是方波，逆变变器的电压只须须按直流PWM的方法进行控制制，比各种交流流PWM控制都要简单得得多，这是设计计梯形波永磁同同步电动机的初初衷。然而由于绕组电电感的作用，换换相时电流波形形不可能突跳，，其波形实际上上只能是近似梯梯形的，因而通通过气隙传送到到转子的电磁功功率也是梯形波波。转矩脉动如图8-9所示，实际的转转矩波形每隔60°都出现一个缺口口，而用PWM调压调速又使平平顶部分出现纹纹波，这样的转转矩脉动使梯形形波永磁同步电电动机的调速性性能低于正弦波波的永磁同步电电动机。转矩脉动（续））图8-9梯形波永磁同步步电动机的转矩矩脉动逆变器电路图8-10梯形波永磁同步步电动机的等效效电路及逆变器器主电路原理图图2.稳态模型逆变器工作方式式由三相桥式逆变变器供电的Y接梯形波永磁同同步电动机的等等效电路及逆变变器主电路原理理图如图8-10所示，逆变器通通常采用120°导通型的，当两两相导通时，另另一相断开。对于梯形波的电电动势和电流，，不能简单地用用矢量表示，因因而旋转坐标变变换也不适用，，只好在静止的的ABC坐标上建立电机机的数学模型。。当电动机中点与与直流母线负极极共地时，电动动机的电压方程程可以用下式表表示电压方程电压方程（续））——三相输入对地电电压；——三相电流；——三相电动势；——定子每相电阻；；——定子每相绕组的的自感；——定子任意两相绕绕组间的互感。。（8-22）式中uA、uB、uCiA、iB、iCeA、eB、eCRsLsLm电压方程（续））由于三相定子绕绕组对称，故有有iA+iB+iC=0则LmiB+LmiC=-LmiALmiC+LmiA=-LmiBLmiA+LmiB=-LmiC电压方程（续续）代入式（8-22），并整理后后得（8-23）转矩方程设图8-8中方波电流的的峰值为Ip，梯形波电动动势的峰值为为Ep，在一般情况况下，同时只只有两相导通通，从逆变器器直流侧看进进去，为两相相绕组串联，，则电磁功率率为Pm=2EpIp。忽略电流换换相过程的影影响，电磁转转矩为（8-24）式中p—梯形波励磁磁磁链的峰值，，是恒定值。。由此可见，梯梯形波永磁同同步电动机（（即无刷直流流电动机）的的转矩与电流流成正比，和和一般的直流流电动机相当当。这样，其控制制系统也和直直流调速系统统一样，要求求不高时，可可采用开环调调速，对于动动态性能要求求较高的负载载，可采用双双闭环控制系系统。注意无论是开环还还是闭环系统统，都必须具具备转子位置置检测、发出出换相信号、、调速时对直直流电压的PWM控制等功能。。现已生产出专专用的集成化化芯片，比如如：MC33033、MC33035等。3.动态模型动态电压方程程不考虑换相过过程及PWM波等因素的影影响，当图8-10中的VT1和VT6导通时，A、B两相导通而C相关断，则可得无刷直流流电动机的动动态电压方程程为（8-25）动态模型（续续）在上式中，(uA–uB)是A、B两相之间输入入的平均线电电压，采用PWM控制时,设占空比为，则uA–uB=Ud，于是，式（（8-25）可改写成（8-26）式中为电枢漏磁时时间常数。转矩和电力拖拖动系统运动动方程根据电机和电电力拖动系统统基本理论，，可知（8-27）（8-28）（8-29）无刷直流电动动机的动态结结构图图8-11无刷直流电动动机的动态结结构图8.3.2正弦波永磁同同步电动机的的自控变频调调速系系统正弦波永磁同同步电动机具具有定子三相相分布绕组和和永磁转子，，在磁路结构构和绕组分布布上保证定子子绕组中的感感应电动势具具有正弦波形形，外施的定定子电压和电电流也应为正正弦波，一般般靠交流PWM变压变频器提提供。1.转子磁链定向向控制模型正弦波永磁同同步电动机一一般没有阻尼尼绕组，转子子磁通由永久久磁钢决定，，是恒定不变变的，可采用用转子磁链定定向控制，即即将两相旋转转坐标系的d轴定在转子磁磁链r方向上，无须须再采用任何何计算磁链的的模型。磁链方程其在d-q坐标上的磁链链方程简化为为（8-30）电压方程式（8-19）的电压方程程简化为（8-31）转矩方程式（8-20）的转矩方程程变成（8-32）式中后一项是是磁阻转矩，，正比于Lsd与Lsq之差。基频以下调速速时的电机模模型在基频以下的的恒转矩工作作区中，控制制定子